Real-Time Optimization Control of a Floating Type Wave Energy Converter

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K15223
• Research Institution: National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology
• Principal Investigator: 谷口 友基 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (80586678)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 浮体式波力発電装置 / 非線形モデル予測制御 / Kaneの運動方程式 / 実時間制御

Outline of Annual Research Achievements

浮体式ポイントアブソーバー型波力発電装置（以下，FPAWEC）に適用可能な非線形モデル予測制御（以下，NMPC）を開発するため，最終年度は，仮想パワーの原理に基づくKaneの方程式を用いて，配位拘束並びに運動拘束を持つFPAWECの前後，上下，縦揺れ，及び可動浮体の相対運動を対象とした縦運動方程式（以下，縦運動方程式と略記）を拘束力のモデル化を介さず導出した．水槽試験結果と比較した結果，導出した縦運動方程式を用いることで，制御なしの状態，抵抗制御及び出力最大化制御（以下，従来型制御）を導入した状態においてもFPAWECの波浪中運動評価を精度よく行えることを確認した．これらの検証結果に関する査読付き論文投稿を行い，現在査読中である．また，FPAWECの縦運動方程式を用いてNMPCの制御モデルを構築した．ここでは，運動自由度の増加に伴う状態変数の増加に対応するため，連成流体力項の内，運動への影響が小さい項を無視して制御モデルを低次元化した．従来型制御と運動性能及び発電性能を比較する数値シミュレーターを開発すると伴に，FPAWEC水槽模型にNMPC制御を実装して規則波及び不規則波条件においても制御周期50ミリ秒の実時間制御が実現できることを検証した．
本研究課題では，先行研究で主流である2次計画法に帰着させるモデル予測制御ではなく，多自由度系への拡張性を重視し，C/GMRES法を援用するNMPCをFPAWECに適用する手法を開発した．まず，1自由度系のPAWECを想定した陸上試験を行い，開発したNMPCの基本特性を把握し，水槽試験での実装検証に進んだ．多自由度系への拡張に際しては，FPAWECが持つ運動拘束に対応するため，Kaneの方程式でFPAWECの縦運動方程式を導出し，制御モデルを構築する手法を採用した．